离子注入


离子布植是一种低温工艺,通过该工艺,可将特定离子在电场里加速,然后嵌入到另一固体靶材之中。如果注入离子在靶材内停留不逸出,就会改变靶材的元素成分。使用这个技术可以改变固体材料的物理、化学或电学性质,现在已经广泛应用于半导体器件制造和某些材料科学研究。离子注入带有能量的碰撞级联可能损伤甚至破坏靶材的晶体结构,当离子能量足够高(数十兆电子伏特)时,还可能导致核嬗变。
原理
[编辑]
离子注入设备通常由一个离子源(用于产生所需离子种类)、一个粒子加速器(通过静电或射频方式将离子加速至高能)、以及一个靶材室组成,离子在此轰击被注入物质。因此,离子注入是粒子辐射的一种特殊形式。每个离子通常为单个原子或分子,注入量等于离子电流随时间的累积,称为剂量。由于注入电流一般较小(微安级),因此在合理时间内可注入的剂量也较少,故离子注入多用于需要微量化学修饰的场合。
典型离子的能量范围为10-500 keV(1600-80000 aJ)。1-10 keV(160-1600 aJ)的低能注入可用,但仅能渗透数纳米或更浅;能量更低则对靶材损伤极小,称为离子束沉积。高能注入器(如可达5 MeV的加速器)也很常见,但会对靶材造成严重结构损伤,且由于布拉格尖峰分布宽,任一点的成分改变均有限。
离子能量、离子种类及靶材成分共同决定其在固体中的注入深度:单能离子束通常具有较宽的深度分布,其平均渗透深度称为离子射程。一般离子射程介于10 nm至1 μm之间,因此离子注入特别适合表面改性。离子在固体中逐渐损失能量,既有与靶原子的偶发碰撞(造成瞬时能量转移),也有电子轨道重叠产生的连续能量阻碍,这一能量损失过程称为阻止功率,可用二元碰撞近似方法模拟。
根据加速器系统性能,离子注入可分为中电流(10 μA至约2 mA)、高电流(最高约30 mA)、高能(能量200 keV至10 MeV)及超高剂量(注入剂量大于1016 ions/cm2)四种类型。[1][2][3]
所有离子注入束线设计都包含若干功能单元。第一段为离子源,用于产生所需离子,并通过偏置电极提取入束线,随后常配合某种离子种类选择装置,将特定离子输送至主加速区。
离子源
[编辑]离子源通常由高熔点材料制成,如钨、掺铈钨(氧化镧钨)、钼和钽。氧化镧可延长离子源寿命。[4]源内常在两根钨电极(反射极)间产生等离子体,气体通常含有欲注入离子的氟或氢,例如三氟化硼[5]、二氟化硼[6]、四氟化锗或四氟化硅[7]。可使用砷化氢气体或磷化氢气体提供砷或磷离子[8]。离子源还配有间接加热阴极;阴极亦可兼作反射极,从而省去独立反射极[9][10][11];亦有直接加热阴极设计[12]。
含氧气体(氧化物)可用于提供注入离子的气体,例如用于注入碳的二氧化碳。氢气或混有氙、氪、氩的氢气可加入等离子体中,以延缓钨部件因卤素循环而退化。[7][11][13][6] 氢气可来自高压钢瓶,也可由电解制氢装置产生。[14]离子源两端的排斥极不断将原子从一端移向另一端,类似两面相对的镜子不断反射光线。[9]
离子通过离子源外的提取电极,经源体狭缝状小孔被提取出来,[15][16]然后离子束通过分析磁体以筛选将要注入的离子,再通过一至两个线性加速器(linac)[17]加速后,离子在工艺室到达晶圆前完成能量提升。[14]在中电流注入器中,工艺室前还设有中性离子捕捉装置,以去除离子束中的中性粒子。[18]
某些掺杂剂如铝常不是以气体形式提供给离子源,而是以基于氯或碘的固态化合物形式在附近坩埚中汽化,例如碘化铝或氯化铝;也可在离子源内使用氧化铝或氮化铝固体溅射靶。[14]注入锑通常需在离子源上连接雾化器,将三氟化锑、三氧化二锑或固体锑在坩埚中汽化,并通过载气将蒸气输送至邻近离子源;也可采用含氟气体(如六氟化锑)或从液态五氟化锑汽化的方式注入。[7]镓、硒和铟常由固体源注入,如用二氧化硒注入硒,也可由硒化氢注入。坩埚寿命通常为60-100小时,使得注入器在20-30分钟内无法更换工艺配方或参数。离子源寿命通常约为300小时。[6][7]
“质量”选择(类似于质谱仪)通常伴随让提取出的离子束通过受阻通道或“狭缝”限制的磁场区域,仅允许具有特定质量与速度/电荷乘积的离子继续前行。若靶面大于离子束直径且需获得均匀植入剂量,则通过束扫描与晶圆运动相结合来实现。最后,将植入表面与某种累积离子电荷的收集方法耦合,以连续测量输出剂量,并在达到预定剂量时停止注入过程。[19]
“离子注入”的各地常用名称 | |
---|---|
中国大陆 | 离子注入 |
港澳 | 离子注入[20] |
台湾 | 离子布植[21]、离子植入[22] |
参见
[编辑]- 西泽润一——离子布植法的发明人
参考
[编辑]- ^ Ion Implantation ! Semiconductor Digest. [2021-06-21]. (原始内容存档于2025-04-27) (美国英语).
- ^ Ion Implantation in Silicon Technology (PDF). [2024-03-02]. (原始内容存档 (PDF)于2025-03-17).
- ^ Ion implantation in CMOS Technology: Machine Challenges. Ion Implantation and Synthesis of Materials. 2006: 213–238. ISBN 978-3-540-23674-0. doi:10.1007/978-3-540-45298-0_15.
- ^ 存档副本 (PDF). [2025-07-21]. (原始内容存档 (PDF)于2025-05-09).
- ^ Rimini, Emanuele. Ion Implantation: Basics to Device Fabrication. Springer. 27 November 2013. ISBN 978-1-4615-2259-1.
- ^ 6.0 6.1 6.2 Hsieh, Tseh-Jen; Colvin, Neil. Improved ion source stability using H2 co-gas for fluoride based dopants. 2014 20th International Conference on Ion Implantation Technology (IIT). 2014: 1–4. ISBN 978-1-4799-5212-0. doi:10.1109/IIT.2014.6940042.
- ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Source Materials Enable the Evolution of the Ion-Implantation Process. 8 February 2020 [2025-07-21]. (原始内容存档于2025-05-13).
- ^ Stellman, Jeanne Mager. Encyclopaedia of Occupational Health and Safety. International Labour Organization. 28 February 1998. ISBN 978-92-2-109816-4.
- ^ 9.0 9.1 Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. CRC Press. 19 December 2017. ISBN 978-1-4200-1766-3.
- ^ Horsky, Thomas N. Indirectly heated cathode arc discharge source for ion implantation of semiconductors. Review of Scientific Instruments. April 1998, 69 (4): 1688–1690. Bibcode:1998RScI...69.1688H. doi:10.1063/1.1148866.
- ^ 11.0 11.1 Tanjyo, Masayasu; Naito, Masao. History of Ion Implanter and Its Future Perspective (PDF). global-sei.com. (原始内容存档 (PDF)于1 December 2024).
- ^ Sakai, Shigeki; Hamamoto, Nariaki; Inouchi, Yutaka; Umisedo, Sei; Miyamoto, Naoki. Ion sources for ion implantation technology (invited). Review of Scientific Instruments. February 2014, 85 (2): 02C313. Bibcode:2014RScI...85bC313S. PMID 24593650. doi:10.1063/1.4852315.
- ^ Hsieh, Tseh-Jen; Colvin, Neil K. Exemplary Ion Source for the Implanting of Halogen and Oxygen Based Dopant Gases. 2016 21st International Conference on Ion Implantation Technology (IIT). 2016: 1–4. ISBN 978-1-5090-2024-9. doi:10.1109/IIT.2016.7882870.
- ^ 14.0 14.1 14.2 Production-worthy Al beams for SiC applications (PDF). www.axcelis.com. (原始内容存档 (PDF)于18 February 2024).
- ^ Henderson, Christopher. Ion Implanation Part 1 - Equipment (PDF). www.semitracks.com. Semitracks. (原始内容存档 (PDF)于18 February 2024).
- ^ Walther, S.R.; Pedersen, B.O.; McKenna, C.M. Ion sources for commercial ion implanter applications. Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference. 1991: 2088–2092. ISBN 0-7803-0135-8. doi:10.1109/PAC.1991.164876.
- ^ Satoh, Shu; Platow, Wilhelm; Kondratenko, Serguei; Rubin, Leonard; Mayfield, Patrick; Lessard, Ron; Bonacorsi, Genise; Jen, Causon; Whalen, Paul; Newman, Russ. Purion XEmax, Axcelis ultra-high energy implanter with Boost™ technology. MRS Advances. 10 January 2023, 7 (36): 1490–1494. doi:10.1557/s43580-022-00442-9.
- ^ Fundamentals of Semiconductor Manufacturing and Process Control. John Wiley & Sons. 26 May 2006. ISBN 978-0-471-79027-3.
- ^ Hamm, Robert W.; Hamm, Marianne E. Industrial Accelerators and Their Applications. World Scientific. 2012. ISBN 978-981-4307-04-8.
- ^ 離子注入與電鍍實驗室. 香港科技大学纳米系统制造实验所. [2023-11-19]. (原始内容存档于2020-02-19).
- ^ 離子佈植. 乐词网. 国家教育研究院. [2023-12-25] (中文(台湾)).
- ^ 離子植入法. 乐词网. 国家教育研究院. [2023-12-25] (中文(台湾)).